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Abr 18/2022

Qué es la biología cuántica y cómo puede explicar por qué estamos vivos

Foto: Getty Images

Si nos tomásemos unos minutos en pensar qué es la física cuántica, ¿qué dirías? Muchas personas podrían responder que se trata de complicadas fórmulas que explican procesos muy complejos relacionados con partículas subatómicas, gravedad, energía, el movimiento de las galaxias, agujeros negros y todo lo que tiene que ver con el espacio-tiempo y el tamaño del universo.

Algo así como Albert Einstein. Y no sería una respuesta muy lejana a la realidad.

Al fin y al cabo, el padre de la Teoría de la Relatividad sentó las bases de la física estadística y la mecánica cuántica, parte de la física moderna y que es muy diferente a aquella que planteó Isaac Newton siglos atrás.

Pero hay una rama menos explorada y que no requiere que vayamos muy lejos para entender de qué se trata.

De hecho, está aquí, en nuestro planeta, entre nosotros.

El físico teórico iraquí-británico Jim Al Khalili lo planteó en 2015 con una pregunta durante una charla: ¿y si el mundo cuántico desempeñase un papel importante en el funcionamiento de una célula viva?

¿Puede algo tan diminuto ayudarnos a entender por qué estamos vivos?

Por muchos años, la comunidad científica fue tajante: la biología era una ciencia tan compleja que no tenía nada que ver con el mundo cuántico.

Una idea que hoy es vista como errónea. En realidad, la mecánica cuántica juega un papel tan importante en los procesos biológicos que es vital para la fotosíntesis de las plantas o la respiración celular.

A esta rama de la ciencia se le conoce como biología cuántica.

Celula

¿Puede la física cuántica explicar el funcionamiento de una célula? Foto: Getty Images.

Y entenderla abriría las puertas a innumerables respuestas y conocimientos que todavía no manejamos en su totalidad, desde entender cómo funcionan las mutaciones hasta la creación de nuevos medicamentos o mejoras en la computación cuántica.

“En cierta parte estamos resolviendo un misterio importante”, le dice a BBC Mundo Vladimiro Mujica, químico de la Universidad Central de Venezuela y doctor en Química Cuántica por la Universidad de Uppsala, Suecia.

Recientemente, la Universidad Estatal de Arizona, donde actualmente trabaja Mujica, recibió una financiación de un millón de dólares por la Fundación Keck en conjunto con la Universidad de California en Los Ángeles y la Universidad Northwestern en Chicago para estudiar la biología cuántica por los próximos tres años.

La idea es entender lo más posible el alcance de esta rama, que está revolucionando la manera como entendemos la relación entre procesos cuánticos y la vida misma.

¿Pero qué es la biología cuántica?

Partamos por el principio: la mecánica cuántica.

La física moderna se nutre principalmente de dos ramas que estudian la relatividad y el mundo cuántico. La primera estudia campos como el movimiento de las galaxias y los planetas; y la segunda los sistemas atómicos y subatómicos que son tan pequeños que no los podemos ver a simple vista.

Un mundo gigante y otro diminuto.

Átomos biología cuántica

La mecánica cuántica estudia el mundo de lo atómico y subatómico. Foto: Getty Images.

El lado obvio es que la química, la biología y la bioquímica son parte de la materia. Y esta materia está conformada por átomos y moléculas.

Entonces, si la física cuántica estudia este mundo atómico, estaría describiendo también a la biología.

“Los procesos biológicos son en realidad sistemas cuánticos porque la física (cuántica) describe el comportamiento de la materia a nivel microscópico”, explica Mujica.

Es una conclusión que se lee de forma muy sencilla. Pero no siempre fue así tan obvio.

Newton

Las Leyes de Newton no aplican en la física cuántica. Foto: Getty Images

Y hay una razón de peso: en realidad los procesos biológicos son muy complejos. Y los sistemas cuánticos, por otro lado, necesitan de una “estabilidad”, algo que los científicos conocen como coherencia de onda.

La conclusión de la comunidad científica era entonces que los procesos biológicos eran tan “ruidosos” que no tenían esta estabilidad. Básicamente, destruían la coherencia.

Y era por eso que a lo largo del siglo XX, los científicos separaron la mecánica cuántica de la biología. No le dieron mayor interés.

Pero quizás estaba faltando algo que los científicos no terminaban de entender o que no encajaba del todo. Quizás había un método donde se aplicase todo esto dentro de los procesos biológicos.

¿No trivial?

Ya se sabe que la materia está conformada por partículas. Algunas son los protones y los neutrones, y otras son conocidas como partículas elementales, como los electrones y fotones.

Estas partículas funcionan a nivel biológico. Por ejemplo, la fotosíntesis de las plantas es impulsada por la transferencia de electrones en las moléculas.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es uno de los mejores ejemplos de la física cuántica en procesos biológicos. Foto: Getty Images.

Pero aquí hay un problema: cómo viaja este electrón. Si tuviésemos un bombillo, el electrón atravesaría un alambre de cobre que se calienta mucho y hace que “se encienda” la luz.

Pero las plantas no tienen este alambre de cobre. De hecho, la biología tiene “pésimos” conductores de energía, en palabras de Mujica, y aumentar la temperatura de forma brusca haría que la célula simplemente muriese.

Entonces el electrón necesitaría ese algo que a los científicos les estaba faltando entender. Un proceso que fuese simple y que no requiriese de mucha energía como para permitirle a la partícula viajar sin matar la célula.

Ese proceso de hecho existe, y se llama el efecto túnel.

Un ejemplo: si tenemos una pelota de tenis en un lado de una cancha y tenemos que hacerla pasar hacia el otro lado, bastaría con lanzarla de un extremo al otro.

Pero si la cancha tuviese una pared muy alta en el medio, entonces se tendría que lanzar la pelota muy alto y por encima de la pared o de lo contrario rebotaría. Así es como funciona la física clásica.

Tennis

Foto: Getty Images

Pero es distinto en la física cuántica. Si la pelota de tenis fuese en realidad un electrón, hay una forma de que este pase a través de la pared y no por encima. Y esto ocurre porque las partículas se mueven en forma de onda.

El efecto túnel es como “si abrieras un hueco en la barrera y te colaras por él”. Y la ventaja es que es tan sencillo y barato que es el utilizado por los sistemas biológicos para utilizar la menor cantidad de energía posible.

Los científicos llaman a este tipo de eventos“no triviales”. Es, básicamente, cómo la mecánica cuántica altera los procesos biológicos.

No es algo novedoso. Físicos como el austríaco Erwin Schrödinger ya había abordado este y otros temas de la física cuántica en la primera mitad del siglo XX, sentando las bases para que alguien más hiciesen nuevos hallazgos.

Erwin Schrödinger

El trabajo de Erwin Schrödinger ha sido vital para el estudio de la física cuántica. Foto: Getty Images

Distintos procesos

Pero el efecto túnel no es el único mecanismo cuántico que actúa dentro de los procesos biológicos.

Los hay otros, como la dirección en la que gira la partícula, algo conocido como el espín. Y todos estos efectos actúan de distintas formas en las diferentes etapas de los procesos biológicos.

Por ejemplo, la fotosíntesis consta de tres pasos. El primero es la captura del fotón (la partícula portadora de la radiación electromagnética, como la luz solar) por parte de la planta.

El segundo es cuando los electrones absorben la energía de los fotones y pasan a un estado de mayor energía, viajando por las moléculas y basándose en el efecto túnel.

Finalmente, el electrón es empleado para una reacción química que se traduce en la liberación de oxígeno. Y eso es lo que permite que seres como los humanos podamos respirar.

En todo estos pasos, la mecánica cuántica está presente.

Pero ahora imagina que el electrón sobre gira en su propio eje (espín), y este movimiento puede ser hacia la derecha o hacia la izquierda. Dependiendo de la dirección de giro, el electrón pasará o no por el túnel.

Para hacerlo más sencillo, piensa que es como un tornillo, que cuando se inserta en la ranura puede atornillarse únicamente en la dirección correcta. Pero si lo intentas de la otra forma, pues no pasa o lo dañas.

Mujica

Vladimiro Mujica, científico venezolano que estudia la relación entre la física cuántica y los procesos biológicos. Foto: Arizona State University.

Esto es lo que se conoce como quiralidad, del griego kheir, que significa mano. Cuando un objeto es quiral, tiene otro que es el reflejo, como la mano derecha con la izquierda.

Esto quiere decir que el espín va de la mano del quiral.

“Entonces tú ahora tienes un mecanismo privilegiado que protege el transporte electrónico de cualquier ruido externo. Por eso, un efecto que se suponía no iba a ser importante, pues ahora sí lo es”, resume Mujica.

Y entender esto es muy importante para la ciencia. Ahora se sabe que el efecto tunel, el espín y la quiralidad están relacionados no solo con la fotosíntesis, sino también con la síntesis de proteínas, la forma cómo los organismos respiramos o la conexión entre neuronas.

Incluso en las mutaciones, transformaciones del material genético que ocurren por el cambio aleatorio de una molécula en nuestro cuerpo.

Distintas aplicaciones

Pero entonces, ¿para qué sirve todo esto?

Los científicos apenas están intentando entender la verdadera dimensión de la biología cuántica. Al fin y al cabo, fue considerada poco importante por mucho tiempo y no fue sino hasta hace aproximadamente una década que este campo de la ciencia empezó a surgir otra vez.

Una rama que se puede beneficiar es el de la farmacología, donde la quiralidad juega un papel importante.

Otra es la computación cuántica. “En este punto estamos, en el que se está tratando de buscar buenos sistemas para hacer procesamientos cuánticos”, dice Mujica. “Ya hay computadores cuánticos, pero son muy limitados. Son juguetes muy avanzados y extremadamente caros”, añade.

Computación cuántica

Un campo que se puede beneficiar de la biología cuántica es el de la computación. Getty Images

Pero muchas de estas aplicaciones no van a ocurrir en estos tres años en que Mujica y sus otros colegas pasarán estudiando la biología cuántica. Lo ven más como una ciencia que tendrá efectos importantes más a largo plazo.

Lo que sí es evidente ahora el papel crucial que tiene la física cuántica para ayudarnos a entender cómo funcionan procesos biológicos muy importantes que hacen posible la vida.

Así que no se trata tanto de mirar hacia arriba en búsqueda de otros planetas, sino también de observar en profundidad lo que tenemos en el nuestro.


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